¿Pueden las aeronaves hacer una reaparición?

por Jack Roper

En 1937, el breve apogeo de la aeronave terminó abruptamente en un infierno en el aire. Pero una nueva era dorada más ligera que el aire ahora tiembla en el umbral de la realidad, gracias a los avances en propulsión, control de vuelo, materiales compuestos, meteorología y poder computacional. Del cofundador de GoogleInvestigación LTAen Akron, Ohio, a Bedfordshire, vehículo aéreo híbrido lleno de helio de Hybrid Air Vehicles (HAV) con sede en el Reino Unido.

El dirigible de HAV utiliza propulsión eléctrica y su origen se remonta a la década de 1990. "El Airlander 10 usa helio para la sustentación y solo gasta energía para empujar hacia adelante, lo que brinda un ahorro significativo de combustible en comparación con el ala fija", dice el director técnico de HAV, Mike Durham. "La desventaja es la velocidad. Somos más felices por debajo de los 115 mph. Pero eso importa menos para el transporte aéreo. Podemos mover mercancías al 25 % del costo, pero nos lleva tres veces más".

El Airlander mide 100 m (330 pies) de largo, 50 m (165 pies) de ancho y 28 m (90 pies) de alto. El helio ligeramente presurizado llena las elipses duales de su amplia grupa y actúa como un gas elevador. Los globos llenos de aire mantienen la presión interna a medida que el helio se expande y contrae. Una vez en el aire, los motores diesel de 500 hp en sus cuatro esquinas impulsan el pesado híbrido en vuelo hacia adelante.

"En el mundo de los dirigibles, más grande es mejor", dice Durham. "Duplicar nuestra longitud crearía cuatro veces la resistencia, pero ocho veces la elevación de gas. Comenzar con un tamaño modesto, adecuado para transportar 100 pasajeros de 186 a 250 millas, es un paso de bajo riesgo. En última instancia, el transporte aéreo puede ser nuestro mayor mercado".

El Airlander se basa en el Vehículo de Inteligencia Múltiple de Larga Duración (LEMV) del Ejército de los EE. UU., el primer y único dirigible híbrido jamás construido. HAV lo adquirió, modificó y voló desde Cardington Airfield, Reino Unido en 2016 y 2017. Inicialmente con motor diésel, pasará a la propulsión eléctrica. VHAya está desarrollando un motor eléctrico de 500kWy controlador con Collins Aerospace y la Universidad de Nottingham.

"En quince años, no hablaremos de CO2, sino de eficiencia en vuelo", dice Durham. "Siempre usaremos alrededor de una cuarta parte de la energía y aún pondremos menos carga en la infraestructura que los aviones eléctricos".

Se prevé un Airlander 50 de 140 m (460 pies) con una capacidad de carga útil de 50 toneladas para el transporte aéreo. Pero el Airlander 10 servirá a los mercados de movilidad y turismo expedicionario. Navegando por debajo de los 9.850 pies (3.000 m), los pasajeros podrán abrir ventanas en su cabina no presurizada, sin problemas de vibraciones o turbulencias. Más yate que avión, el Airlander aterrizará suavemente sobre la hierba o el agua.

Las grandes cabinas no presurizadas de un dirigible ofrecerían un estilo y ritmo de viaje diferente a los pasajeros (Imagen: Airlander)

"Queremos evitar los aeropuertos ruidosos y congestionados", dice Durham. "Muchas ciudades están cerca de masas de agua. Podríamos aterrizar en el estuario del Támesis y luego un taxi acuático de alta velocidad te lleva a Londres.

"Estamos ansiosos por hacernos amigos de la gente del agua con bajas emisiones de carbono. Nos adaptamos a todos y no pretendemos hacer que los aviones o los barcos sean redundantes".

La empresa francesa Flying Whales concibió por primera vez el LCA60T (dirigible de gran capacidad, 60 toneladas) para servir a la industria maderera. Con 200 m (650 pies), tiene el doble de la longitud del Airlander. Las celdas llenas de helio dentro de su gigantesco casco proporcionan sustentación, mientras que 32 hélices distribuidas de 4 m (13 pies) de diámetro permiten el vuelo horizontal.

"Somos un dirigible convencional", dice el líder general de diseño de dirigibles de Flying Whales, Nicolas Weisse. "HAV usa sustentación tanto aeroestática como aerodinámica y debe moverse hacia adelante para volar. Pero solo usamos sustentación aeroestática del helio.

"Siempre estamos en equilibrio: nuestra sustentación aeroestática sigue siendo igual a nuestro peso. Usamos la propulsión solo para manejar el ruido alrededor del equilibrio. Nuestros huesos son la estructura de la aeronave, nuestra piel mantiene el medio ambiente afuera mientras que adentro, nuestros pulmones llenos de helio son respiración."

Aunque vuela principalmente a baja altura, el LCA60T puede alcanzar altitudes de navegación de 3.000 m en las montañas cubiertas de bosques de Francia. La dependencia exclusiva de la sustentación aeroestática le permite flotar sobre lugares boscosos para intercambiar cargas, aunque hacerlo crea algunas complicaciones.

La aeronave de Flying Whales se usaría para mover cargas voluminosas, como troncos, fuera de los bosques (Imagen: Flying Whales)

"A medida que se descargan los troncos, la aeronave se vuelve más liviana y se eleva", dice Weisse. "Debemos compensar y mantener el equilibrio tomando 60 toneladas de agua".

Un camión cisterna bombeará hasta 60 m3 de agua desde el suelo hacia cuatro tanques de lastre a lo largo del eje longitudinal del LCA60T. Las aeronaves anteriores llevaban agua para deshacerse, compensando las fugas de gas de levantamiento en caso de emergencia. Las válvulas y bombas del sistema de lastre permiten al piloto equilibrar el peso del dirigible, cuya enorme inercia minimiza el riesgo de chapoteo. A medida que se cargan los registros, el proceso se invierte.

"Rociaremos agua sobre un área amplia para garantizar que las personas que se encuentran debajo no reciban una piscina sobre sus cabezas", dice Weisse. "Será como la lluvia normal en el bosque".

Los principios de diseño de los dirigibles se entienden bien, por lo que el desarrollo presenta pocos desafíos de ingeniería fundamentales. Exceptuando el diseño del casco, que requiere algunos conocimientos especializados, el Airlander es un avión mayoritariamente convencional. Utiliza aluminio, fibra de carbono y sistemas eléctricos estándar para la industria aeroespacial, de la que HAV extrae a la mayoría de los empleados.

"Nuestro vuelo es comparativamente benigno", dice Durham. "Diseñamos a 1,5 g y tendemos a basarnos en la rigidez".

"Hemos presentado nuestro análisis de riesgos funcionales y seremos certificados con los mismos estándares de seguridad que los aviones convencionales", agregó Durham. "Pero los riesgos son un orden de magnitud menor: un desgarro catastrófico ciertamente arruina tu día, pero aun así te deja con un enorme paracaídas con cierto nivel de helio arrastrado sobre tu cabeza. Nos estrellamos lentamente".

HAV y Flying Whales se han unido para desarrollar las normas EASA SC-GAS emitidas en enero de 2022, allanando el camino para la certificación de tipo. Flying Whales completó su revisión de diseño preliminar y comenzará a construir una aeronave en su fábrica de producción de Nouvelle-Aquitaine en 2023. Se esperan pruebas de vuelo de calificación y certificación en 2025 y la entrada en servicio a fines de 2026.

HAV aprendió mucho al volar el LEMV. Diseñado para vigilancia y reconocimiento de inteligencia prolongados (ISR) a 6.000 m (19.685 pies), sufrió 500 modificaciones como preludio a las misiones de pasajeros. El ejército de EE. UU. pretendía un avión esencialmente no tripulado capaz de transitar tripulado a través del espacio aéreo civil, pero HAV lo convirtió en un avión pilotado más simple.

El diseño del Airlander se ha perfeccionado utilizando los aprendizajes de las pruebas de vuelo con el vehículo de inteligencia múltiple de larga duración del Ejército de EE. UU. (Imagen: Airlander)

"Nuestras pruebas de vuelo absorbieron el conocimiento del primer híbrido de tamaño completo", dice Durham. "Tratamos de comprender el comportamiento de la aeronave, el rendimiento de ascenso y descenso, el consumo de combustible a diferentes velocidades, cómo el casco se desvía o absorbe energía. Aprendimos a mantenerlo en tierra. Hemos utilizado esos datos en nuestros simuladores y para modificar nuestra aeronave de producción. ."

Pero el desastre ocurrió una noche de noviembre de 2017 cuando el personal de tierra no pudo asegurar el avión. Soltó sus amarras y sufrió daños irreparables, quizás en una repetición condenada de sus días sin tripulación. El principal activo de HAV ya no existía.

HAV introdujo sistemas automatizados para evitar futuros desprendimientos de mástiles de amarre. "Somos un negocio sin culpa", dice Durham. "Fue un duro golpe, pero resultó ser una oportunidad de oro. Cuidar ese avión consumió prácticamente toda nuestra energía. Hemos tenido el lujo, estos últimos tres años, de comprender y desarrollar realmente los aprendizajes que extrajimos de él. "

Pruebas aerodinámicas recientes en el túnel de viento de Silverstone del equipo Mercedes Grand Prix abordaron la respuesta nerviosa del LEMV. HAV probó una nueva forma de casco, modificada para mejorar las características de cabeceo. Los ingenieros utilizarán el modelado CFD para analizar el comportamiento de la aeronave de tamaño completo. HAV también está utilizando pruebas de subescala para volver a desarrollar el tren de aterrizaje del LEMV.

Túnel de viento probando el diseño Airlander de Hybrid Air Vehicle (Imagen: Airlander)

"El LEMV se centró en misiones persistentes, no tripuladas y de gran altitud, por lo que el tren de aterrizaje era solo un peso parásito de todos modos", dice Durham.

"Su diseño rudimentario no estaba bien amortiguado ni era lo suficientemente rígido para un avión de movilidad. Lo rediseñamos y lo volvimos a patentar para proporcionar una capacidad de aterrizaje predecible".

Flying Whales ha desarrollado el LCA60T principalmente a través de la simulación hasta el momento. "El tamaño dificulta la creación de prototipos", explica Weisse. "Un prototipo LCA60T a escala que levantara 10 toneladas en lugar de 60 toneladas aún tendría más de 100 m [330 pies] de largo y requeriría una gran fábrica para construirlo. Construiremos el avión de 200 m [660 pies] directamente y usaremos el primero como prototipo.

"Ejecutamos pruebas de comportamiento que tenemos dificultades para simular, como la carga útil y la oscilación de la aeronave durante el intercambio de carga", dice Weisse. "Se excitan entre sí y se ven afectados por la inercia y las ráfagas de viento. Probaremos nuestro sistema de amortiguación para validar la simulación de la oscilación del registro. Tenemos una prueba de celda de gas a escala en curso".

Los pulmones del LCA60T son catorce celdas de helio que se expanden y contraen con los diferenciales de altitud y presión. En tierra, siguen siendo pequeños, pero se despliegan completamente en altura.

"Hicimos una porción de aeronave con una celda de gas de un tercio de tamaño en el interior", dice Weisse. "Vamos a validar la instalación, la estanqueidad de la tela, el despliegue dentro de la estructura, la purificación del helio. Tenemos materiales mucho mejores que un globo de Mickey Mouse, pero aún debemos eliminar algo de aire que entra".

El casco del Airlander está hecho de Vectran, un material tejido desarrollado para los yates que compiten en la America's Cup. El casco está impregnado con uretano y negro de carbón para protección UV, revestido con Mylar para retención de gas y Tedlar para protección contra la intemperie.

Los materiales del casco han sido sometidos a pruebas específicas para garantizar un alto margen de seguridad. Otras pruebas de materiales son más convencionales.

"El casco está soldado en segmentos", dice Durham. "Hacemos pruebas calientes, húmedas y de larga duración. Ponemos un cupón con una junta soldada bajo carga de vuelo a la temperatura y humedad máximas de funcionamiento durante diez o doce días para ver si se peina".

La jaula de Faraday de un avión de fuselaje metálico es difícil de reproducir en un dirigible de 100 m. HAV utiliza un sistema de control de vuelo fly-by-light inmune a rayos e interferencias electromagnéticas, heredado del LEMV. El Airlander 10 puede volar con piloto automático a una altura y un rumbo fijos, pero sigue siendo un avión pilotado tradicionalmente con controles de aceleración y palancas laterales. El LCA60T tiene una estación de intercambio de carga y dos estaciones piloto, pero utiliza algoritmos de ley de control para mantener la altitud de vuelo estacionario. La simulación Pilot-in-the-loop ha dado forma a ambos sistemas.

"Analizamos la dificultad del piloto en comparación con el avión anterior", dice Durham. "Usamos el puntaje de facilidad de vuelo de Cooper-Harper para evaluar una situación normal frente a dos motores que fallan repentinamente".

Es posible que estas fabulosas naves del aire pronto floten y se desplacen por los cielos del mundo real. "Los aviones no han cambiado mucho en 70 años, pero el mundo de los dirigibles ofrece muchas arquitecturas", dice Weisse. "Cada pocos años, predecimos un regreso. La gente pregunta: ¿por qué ahora? Hay una nueva urgencia ambiental. La informática, los sistemas de control de vuelo y los materiales han evolucionado. Y hoy, podemos predecir el clima: el mayor enemigo de una aeronave".

La mayoría de los analistas están de acuerdo en que el hidrógeno verde ofrece el mejor medio de transición desde los combustibles fósiles, pero transportarlo al mercado sigue siendo un desafío, según estudios basados ​​en hacerlo en camiones.

La isla de Puna en Hawái podría convertir su abundante energía geotérmica en hidrógeno verde, pero no tiene forma de transportarla. Rinaldo Brutoco, fundador, presidente y director ejecutivo de H2 Clipper, sugirió que flotara sobre el mar en un dirigible, una idea que finalmente se convirtió en la empresa.

"El Clipper mide 300 m [980 pies] de largo con un exoesqueleto hueco", dice Brutoco. "Explota la flotabilidad del hidrógeno como gas de sustentación mientras transporta hasta 400 000 lb [180 000 kg] de hidrógeno líquido. Su capacidad de carga útil depende de la velocidad, la distancia y la altitud. Utiliza parte de la carga útil líquida en las celdas de combustible para impulsar las hélices y viaja entre 150 mph y 300 mph".

El H2 Clipper combina sustentación gaseosa y empuje líquido, pero solo el hidrógeno líquido tiene la densidad de energía para competir con los combustibles fósiles. Los ingenieros, incluido Matt Moran, quien construyó el tanque criogénico más grande del mundo en Cape Kennedy, desarrollaron una tecnología liviana patentada para transportar hidrógeno líquido a -250 °C (-418 °F).

El diseño cuidadosamente guardado de la aeronave está cubierto por nueve patentes que incorporan 205 reivindicaciones separadas, y se anticipan varias patentes más. Su exoesqueleto que soporta peso contiene espacio para gas de elevación de hidrógeno y tanques de hidrógeno líquido que son tanto carga como combustible. Fue diseñado utilizando la plataforma 3DEXPERIENCE de Dassault Systèmes.

"Usamos CFD para diseñar lo más cerca posible del flujo de aire laminar. Doblamos el exoesqueleto en su punto medio en 360° alrededor de la aeronave, para que el aire fluya sobre él.

"Hemos completado nuestra fase básica de I + D. Estamos trabajando en tecnologías de fabricación. Necesitamos una fábrica de 24 pisos con puertas en ambos extremos. Construiremos y luego volaremos un prototipo de 400 pies bajo una licencia experimental mientras construimos el avión de tamaño completo. , dice Brotuco.